ozonation catalytique: toccata

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Le procédé vise à dégrader partiellement ou totalement la DCO soluble organique réfractaire aux traite­ments biologiques. Il s’agit en l’occurrence :

  • soit de la pollution résiduelle en sortie d’un traitement biologique ;
  • soit d’effluents plus ou moins concentrés contenant des polluants toxiques (antibiotiques, pesticides…) interdisant tout traitement biologique.

Le procédé Toccata, procédé de catalyse hétérogène, est basé sur la génération dans le milieu réactionnel, à partir d’ozone, d’un oxydant secondaire plus puissant (espèce instable formée par réaction de l’ozone avec un catalyseur solide). Il fonctionne en conditions de température et de pression proches des conditions ambiantes. De ce fait, il fait partie des procédés dits d’oxydation avancée (voir les oxydants et désinfectants). L’oxydation des composés organiques résulte de la mise en contact des trois phases : eau à traiter, catalyseur solide et gaz ozoné.

L’ozonation catalytique assure une élimination régulière de la DCO sans apparition de limitation réaction­nelle comme habituellement rencontrée au cours de l’ozonation lorsque des taux d’abattement importants sont recherchés. Par rapport à l’ozonation seule, elle engendre deux effets bénéfiques illustrés à la figure 28 :

  • augmentation de la vitesse d’élimination de la DCO et de la sélectivité exprimée par le rapport de la quantité de DCO éliminée par quantité d’ozone consommée dans la première phase où l’ozone seul est actif ;
  • amélioration du rendement d’oxydation dans la deuxième phase pour laquelle la consommation d’ozone peut devenir nulle en ozonation conventionnelle.
courbes élimination DCOImage sécurisée
Figure 28. Courbes typiques de l’élimination de DCO

Sur le plan chimique, l’oxydation des composés organiques par ozonation catalytique comme par ozona­tion conventionnelle forme des composés de poids moléculaires plus faibles à fonction chimique polaire et oxygénée du type aldéhyde, cétone et acide carboxylique.

Il s’ensuit une augmentation de la biodégradabilité résultant de l’oxydation partielle de la DCO non bio­dégradable dans le cas où la vitesse de disparition des composés biodégradables est plus faible que la vitesse d’élimination des composés non biodégradables. Dans ce cas, l’ozonation catalytique peut être judi­cieusement couplée à un traitement biologique ultérieur (sur Biofor par exemple).

Le catalyseur mis au point se présente sous deux formes adaptées à des réacteurs différents choisis selon l’application :

  • une poudre de granulométrie moyenne égale à quelques centaines de microns ; sa mise en œuvre nécessite une mise en suspension homogène dans un réacteur de type « lit entraîné » dans lequel l’ozone est injecté sous forme de fines bulles (figure 29 et photo 13) ; le réacteur se compose de deux comparti­ments qui communiquent et entre lesquels le catalyseur en suspension circule de façon ininterrompue par entraînement de la phase solide-liquide sous l’effet de l’admission d’un gaz vecteur, en général de l’air, en boucle dans l’un des compartiments ; l’ozonation a lieu dans le second compartiment avec injection du gaz réactif contenant l’ozone à contre-courant. Le flux d’ozone est ainsi asservi à la vitesse de réaction de l’effluent sans considération de contraintes hydrauliques pour le maintien en suspension du catalyseur. Le catalyseur est recyclé en continu après séparation solide-liquide (décantation, microtamisage, hydro­cyclone, membrane…) ;
  • des particules de quelques mm de diamètre appropriées à une mise en œuvre en réacteur à lit fixe con­ventionnel alimenté en cocourant ascendant eau et gaz ozoné (figure 30).
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Figure 29. Schéma de fonctionnement du réacteur Toccata à lit entraîné
appareil mise oeuvre Toccata catalyseur poudreImage sécurisée
Photo 13. Appareil de mise en oeuvre Toccata avec catalyseur en poudre
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Figure 30. Schéma de principe du réacteur Toccata à lit fixe

Ce procédé peut être appliqué pour le traitement d’ERI d’origine variée pour obtenir des rendements d’oxydation poussés (voir exemples à la figure 31). À l’opposé de l’ozonation conventionnelle ou des procé­dés d’oxydation radicalaire tel que O3/H2O2 ou O3/UV, la qualité de l’eau à traiter a une influence relative­ment peu marquée du fait que le phénomène est contrôlé par l’activité du catalyseur et n’est pas soumis à l’effet inhibiteur des composés piégeurs de radicaux libres souvent présents dans les ERI. Il s’ensuit que par rapport à l’ozonation conventionnelle, l’activité et la sélectivité du système catalytique autorisent des dimi­nutions significatives des doses d’ozone transférées pour le même abattement en DCO (voir exemples au tableau 12).

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Figure 31. Étude cinétique de l’élimination de DCO au cours des traitements ozonation et Toccata
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Tableau 12. Doses d’ozone transférées pour l’obtention du taux d’élimination en DCO permis par ozonation